JP6971931B2 - パワー半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、パワー半導体装置に関し、特に車載用駆動用のモータを制御するパワー半導体装置に関する。
近年、パワー半導体装置を搭載する電力変換装置には、短絡保護機能の搭載や高放熱化が求められている。特許文献１では、短絡電流の立ち上がり時や立下り時のｄｉ／ｄｔが大きな場合においても、主回路端子と制御端子の磁気結合によって保護動作が確実になる手段が開示されている。また、特許文献２では、パワー半導体素子を外部金属で覆うことで放熱性を向上させる構造が開示されている。
しなしながら、パワー半導体装置の短絡保護発生時における信頼性を更に向上させることが求められている。
特開２０１４−２２９６４２号公報 特開２０１６−３６１９４号公報
本発明の課題は、パワー半導体装置の放熱性を損なうことなく過電流発生時の過電圧を抑制し、信頼性を向上させることである。
本発明に係るパワー半導体装置は、低電位側電極と高電位側電極とセンス電極を有するパワー半導体素子と、前記低電位側電極と電気的に繋がる低電位側導体と、前記センス電極と電気的に繋がるセンス配線と、前記センス配線を挟んで前記低電位側導体と対向する第１金属部と、を備え、前記第１金属部は、前記センス配線と前記第１金属部の配列方向から見た場合、前記センス配線は、前記低電位側導体と対向する対向部を有し、前記第１金属部は、前記対向部と重なる部分に凹部を形成し、前記凹部の深さは、当該凹部の底部と前記センス配線の距離が当該センス配線と前記低電位側導体の距離よりも大きくなるように形成される。
これにより、磁気結合を抑制する原因となっている外部金属である放熱ベースに凹部を設けることによってパワー半導体内部で主回路と制御端子を磁気結合させ、短絡保護発生時に制御端子の電圧を緩やかにオフさせることによって半導体素子の劣化の原因となる過電圧を抑制する。
本発明によれば、パワー半導体モジュールの放熱性を損なうことなく過電流発生時の過電圧を抑制できる。
本実施形態に係るパワー半導体装置１００の外観正面図である。 本実施形態に係るパワー半導体装置１００であって図１とは反対方向から見た外観正面図である。 図１に示されたパワー半導体装置１００からモールド材４０５を取り除いた内部構造図である。 図３に示されたパワー半導体装置１００から低電位側導体２０１Ｕ及び２０１Ｌを取り除いた内部構造図である。 図１に示されるＡ−Ａ’断面を矢印方向から見たパワー半導体装置１００の断面図である。 本実施形態に係るパワー半導体装置１００に対応する駆動回路の構成を示す回路図である。 インバータ回路の短絡保護を発生した場合におけるインバータ回路の下アーム側の動作波形である。 他の実施形態に係るパワー半導体装置２００を示す外観正面図である。 図８に示されたパワー半導体装置２００の一点鎖線を通る断面を矢印方向から見た断面図である。
以下、図面を参照して、本発明に係るパワー半導体装置の実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。
図１は、本実施形態に係るパワー半導体装置１００の外観正面図である。図２は、本実施形態に係るパワー半導体装置１００であって図１とは反対方向から見た外観正面図である。図３は、図１に示されたパワー半導体装置１００からモールド材４０５を取り除いた内部構造図である。図４は、図３に示されたパワー半導体装置１００から低電位側導体２０１Ｕ及び２０１Ｌを取り除いた内部構造図である。図５は、図１に示されるＡ−Ａ’断面を矢印方向から見たパワー半導体装置１００の断面図である。図６は、本実施形態に係るパワー半導体装置１００に対応する駆動回路の構成を示す回路図である。
図４に示されるパワー半導体素子２０４として、例えばＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴを用いることができる。またパワー半導体素子２０４は、インバータ回路の上アームを構成する上アーム側のパワー半導体素子２０４Ｕと、インバータ回路の下アームを構成する下アーム側のパワー半導体素子２０４Ｌと、により構成される。
図４及び図６に示されるように、交流出力端子１０３は、下アーム側のパワー半導体素子２０４Ｌのエミッタ電極側と接続される高電位側導体２０５Ｌと接続される。中間電極２０７は、図３及び図６に示される低電位側導体２０１Ｕと高電位側導体２０５Ｌを接続する。中間電極２０６は、図３及び図６に示される低電位側導体２０１Ｌと高電位側導体２０５Ｌを接続する。高電位側導体２０５Ｕは、図６のインバータ回路の上アーム側の高電位側の導体を構成する。
図４に示されるパワー半導体素子２０４Ｕ及び２０４Ｌは、正極センス電極３０１と、負極センス電極３０２と、低電位側電極３０３と、高電位側電極３０４と（パワー半導体素子２０４Ｌの裏面側）、をそれぞれ備える。これらの電極は、ＩＧＢＴの場合には、正極センス電極３０１がゲート電極、負極センス電極３０２がケルビンエミッタ電極、低電位側電極３０３がエミッタ電極、高電位側電極３０４がコレクタ電極に相当する。また、ＭＯＳＦＥＴの場合には、正極センス電極３０１がゲート電極、負極センス電極３０２がケルビンソース電極、低電位側電極３０３がソース電極、高電位側電極３０４がドレイン電極に相当する。
正極センス配線２０３Ｌは、絶縁層４０１に実装される。正極センス配線２０３Ｌは、正極センス端子１０４Ｌと半田材を介して接続される。正極センス電極３０１は、正極センス配線２０３Ｌとワイヤボンディング３０５を介して電気的に接続される。
負極センス配線２０２Ｌは、絶縁層４０１に実装される。負極センス配線２０２Ｌは、負極センス端子１０５Ｌと半田材を介して接続される。負極センス電極３０２は、負極センス配線２０２Ｌとワイヤボンディング３０６を介して電気的に接続されている。
同様に、正極センス配線２０３Ｕは、絶縁層４０１に実装される。正極センス配線２０３Ｕは、正極センス端子１０４Ｕと半田材を介して接続される。
負極センス配線２０２Ｕは、絶縁層４０１に実装される。負極センス配線２０２Ｕは、負極センス端子１０５Ｕと半田材を介して接続される。
図５に示されるように、低電位側電極３０３は、半田材４０２を介してスペーサー４０３と電気的に接続される。スペーサー４０３は、半田材４０２を介して低電位側導体２０１Ｌと電気的に接続される。低電位側導体２０１Ｌは、半田材を介して、図４に示される低電位側端子１０２と電気的に接続される。
図５に示されるように、高電位側電極３０４は、絶縁層４０１に実装された高電位側導体２０５Ｌと電気的に接続される。高電位側導体２０５Ｌは、半田材を介して高電位側端子１０１と電気的に接続される。
半田接合用導体パターン４０４は、絶縁層４０１に実装される。第１金属部１０６は、半田材４０２を介して半田接合用導体パターン４０４と接続される。第１金属部１０６は、例えばアルミニウムや銅が用いられる。
第１金属部１０６は、負極センス配線２０２Ｌを挟んで、低電位側導体２０１Ｌと対向している部分に凹部４０６が形成される。また正極センス配線２０３Ｌは、凹部４０６よりパワー半導体素子２０４Ｌに近い側に配置される。
凹部４０６の深さは、凹部４０６の底部と負極センス配線２０２Ｌの距離が負極センス配線２０２Ｌと低電位側導体２０１の距離よりも大きくなるように形成される。これにより、低電位側導体２０１Ｌとセンス配線２０２Ｌには磁気結合が促進される。
半田接合用導体パターン４０４が負極センス配線２０２Ｌの下部まである場合、負極センス配線２０２Ｌと低電位側導体２０１の磁気結合が弱まる。負極センス配線２０２Ｌと凹部４０６の配列方向から見た場合、凹部４０６は、導体である半田接合用導体パターン４０４および半田材４０２が重ならないように構成することが望ましい。これにより、負極センス配線２０２Ｌと低電位側導体２０１Ｌが強く磁気結合することができる。
図６に示されるように、正極センス配線２０３Ｌは、ゲート抵抗５０２Ｌと接続される。またゲート抵抗５０２および負極センス配線２０２Ｌは信号源５０１Ｌに接続される。
高電位側端子１０１は、平滑用コンデンサ５０４および直流電圧源５０５の正極側に接続される。低電位側端子１０２は、平滑用コンデンサ５０４および直流電圧源５０５の負極側に接続される。交流出力端子１０３には負荷が接続される。
図７は、インバータ回路の短絡保護を発生した場合におけるインバータ回路の下アーム側の動作波形である。なお、図７はパワー半導体素子２０４ＬとしてＭＯＳＦＥＴを用いた場合を示す。ＩＧＢＴの場合や、上アームの場合でも同様の波形となる。
ｔ１において、誤動作や故障による上下アーム短絡が発生した時、図６に示された平滑用コンデンサ５０４から電流が流れ、ソース電流Ｉｓが急峻に上昇する。これを短絡電流という。
ｔ２において、短絡電流が検知されると図６の信号源５０１Ｌからの出力される信号がＯＦＦされる。
信号源５０１Ｌからの出力される信号がＯＦＦされた後のｔ２〜ｔ３までのソース電流Ｉｓの立下り時のｄｉ／ｄｔによって負極センス配線２０２Ｌに電圧が誘導される。この誘導された電圧によってゲートソース間電圧Ｖｇｓの立下りが緩やかになり、短絡電流の急峻な減少が抑制される。短絡電流が緩やかに減少することによってドレインソース間に発生するサージ電圧Ｖｄｓが抑制され、サージ電圧による半導体素子の劣化を抑制することができる。
図８は、他の実施形態に係るパワー半導体装置２００を示す外観正面図である。図９は、図８に示されたパワー半導体装置２００の一点鎖線を通る断面を矢印方向から見た断面図である。図８及び図９に示される実施形態において、図１ないし図７にて説示された構成と同じ図面番号が付された構成は、図１ないし図７にて説示された機能と同様である。
第１金属部１０６は、図５にて示された構造と同様に、負極センス配線２０２Ｌや負極センス配線２０２Ｕを挟んで、低電位側導体２０１と対向している部分に凹部４０６が形成されている。
さらに本実施形態においては、第２金属部１０７は、パワー半導体素子２０４Ｕや２０４Ｌを挟んで第１金属部１０６を対向する位置に配置される。第２金属部１０７は、半田接合用導体パターン４０４と半田材４０２を介して接続されている。例として、第２金属部１０７には、アルミニウムや銅が用いられる。
第２金属部１０７は、低電位側導体２０１Ｌや２０１Ｕを挟んで、負極センス配線２０２Ｌや２０２Ｕと対向している部分に凹部４０７が形成される。この時、正極センス配線２０３Ｌや２０３Ｕは、凹部４０７より内側に配置されている必要がある。
凹部４０７の深さは、この凹部４０７の底部と低電位側導体２０１Ｌ又は２０１Ｕの距離が負極センス配線２０２Ｌまたは２０２Ｕと低電位側導体２０１Ｌまたは２０１Ｕの距離よりも大きくなるように形成される。凹部４０７によって、負極センス配線２０２と低電位側導体２０１が磁気結合される。
図６に示されるように、正極センス配線２０３Ｕや２０３Ｌは、ゲート抵抗５０２Ｕと電気的に接続され、ゲート抵抗５０２Ｕおよび負極センス配線２０２Ｕや２０３Ｌは信号源５０１Ｕに接続される。凹部４０６および凹部４０７により、低電位側導体２０１とセンス配線２０２には磁気結合構造が構成される。
本実施形態によれば、図１ないし図７に示された実施形態と同様の効果に加えて、更なる放熱性の向上と過電流発生時の過電圧を抑制させることができる。
また図１ないし図９に示された第１金属部１０６の凹部４０６の幅又は第２金属部１０７の凹部４０７の幅が、センス配線２０２の幅よりも大きくなるように形成される。これにより、過電流発生時の過電圧の抑制効果を更に高めることができる。
１００…パワー半導体装置、１０１…高電位側端子、１０２…低電位側端子、１０３…交流出力端子、１０４Ｌ…正極センス端子、１０４Ｕ…正極センス端子、１０５Ｌ…負極センス端子、１０５Ｕ…負極センス端子、１０６…第１金属部、１０７…第２金属部、２００…パワー半導体装置、２０１Ｌ…低電位側導体、２０１Ｕ…低電位側導体、２０２Ｌ…負極センス配線、２０２Ｕ…負極センス配線、２０３Ｌ…正極センス配線、２０３Ｕ…正極センス配線、２０４Ｌ…下アーム側のパワー半導体素子、２０４Ｕ…上アーム側のパワー半導体素子、２０５Ｌ…高電位側導体、２０５Ｕ…高電位側導体、２０６…中間電極、２０７…中間電極、３０１…正極センス電極、３０２…負極センス電極、３０３…低電位側電極、３０４…高電位側電極、３０５…ワイヤボンディング、３０６…ワイヤボンディング、４０１…絶縁層、４０２…半田材、４０３…スペーサー、４０４…半田接合用導体パターン、４０５…モールド材、４０６…凹部、４０７…凹部、５０１Ｌ…信号源、５０２Ｌ…ゲート抵抗、５０４…平滑用コンデンサ、５０５…直流電圧源

Claims (6)

  1. 低電位側電極と高電位側電極とセンス電極を有するパワー半導体素子と、
    前記高電位側電極と電気的に繋がる高電位側導体と、
    前記低電位側電極と電気的に繋がる低電位側導体と、
    前記センス電極と電気的に繋がるセンス配線と、
    前記センス配線を挟んで前記低電位側導体又は前記低電位側導体と対向する第１金属部と、を備え、
    前記第１金属部は、前記センス配線と前記第１金属部の配列方向から見た場合、
    前記センス配線は、前記高電位側導体または前記低電位側導体と対向する対向部を有し、
    前記第１金属部は、前記対向部と重なる部分に凹部を形成し、
    前記凹部の深さは、当該凹部の底部と前記センス配線の距離が当該センス配線と前記高電位側導体または前記低電位側導体との距離よりも大きくなるように形成されるパワー半導体装置。
  2. 請求項１にパワー半導体装置であって、
    前記第１金属部の前記凹部の幅が、前記センス配線の幅よりも大きくなるように形成されるパワー半導体装置。
  3. 請求項１または２に記載のパワー半導体装置であって、
    前記センス配線と前記低電位側電極を挟んで前記第１金属部と互いに対向する第２金属部を備えたパワー半導体装置。
  4. 請求項３に記載のパワー半導体装置であって、
    前記第２金属部は、前記センス配線の前記対向部と重なる部分に凹部を形成し、
    前記凹部の深さは、当該凹部の底面と前記センス配線の距離が当該センス配線と前記低電位側導体の距離よりも大きくなるように形成されるパワー半導体装置。
  5. 請求項４に記載のパワー半導体装置であって、
    前記第２金属部の前記凹部の幅が、前記センス配線の幅よりも大きくなるように形成されるパワー半導体装置。
  6. 請求項１ないし５に記載のいずれかのパワー半導体装置であって、
    前記センス配線は、負極センス配線により構成され、
    前記負極センス配線とは異なる正極センス配線を備え、
    前記センス配線と前記第１金属部の配列方向から見た場合、
    前記負極センス配線は、前記凹部と重なり、
    前記正極センス配線は凹部に重ならないように設けられるパワー半導体装置。
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